我們說，物理學(xué)是描述物質(zhì)、能量、運動的概念體系，物理學(xué)習(xí)的核心是概念學(xué)習(xí)。一上課，我們滿耳聽到的都是物理概念，一做題，滿眼見到的都是物理概念。比如老師說，“感應(yīng)電動勢正比于穿過閉合回路的磁通量的變化率”，這句話講了兩個物理量之間的數(shù)量關(guān)系，就包含這些物理概念：閉合回路，感應(yīng)電動勢，磁通量，磁通量的變化率。不難發(fā)現(xiàn)，閉合回路有別于其他幾個概念，它是一種物理模型的名稱，而其他的都是物理量。那么，究竟什么是物理概念？它是如何建立的呢？
我們所說的物理概念通常是與物理現(xiàn)象、物理規(guī)律并列而言。一般來說，我們可以把物理概念理解為專業(yè)的物理名稱，大致可以分為物理量和非物理量。常見的物理量有位置，時間，速度，質(zhì)量，力，功，能量，溫度，壓強，電場強度，磁感強度等等，對應(yīng)力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)都有獨特的物理量。非物理量中有些是物理模型的名稱，如質(zhì)點，理想氣體，自由落體運動，串聯(lián)電路等；有些是物質(zhì)實在的名稱，如機械波，電流，原子，電磁場等；有些是物理現(xiàn)象或物理過程的名稱，如周期運動，熱傳遞，電磁感應(yīng)現(xiàn)象，α衰變等；有些是物理特征或規(guī)律的名稱，如共點力平衡，慣性，質(zhì)量虧損，波粒二象性等。
物理概念都需要嚴(yán)格定義，表征物理實在的特征或性質(zhì)，使之在物理領(lǐng)域成為專業(yè)術(shù)語，以便于簡潔而準(zhǔn)確地交流。非物理量采用人為規(guī)定的方法定義的比較多，比如物理學(xué)這樣定義參考系：為了確定物體的位置和描述其機械運動而選作參考依據(jù)的參照物或坐標(biāo)系，在中學(xué)階段通常認(rèn)為參考系是靜止的。許多物理量采用數(shù)學(xué)方法定義，比如電阻用比值法定義，R=U/I；功用乘積法定義，W=FS；機械能用和差法定義，E=Ek+Ep。但是最基礎(chǔ)的物理量通常是采用人為規(guī)定的方法定義的，比如規(guī)定1kg的質(zhì)量等于保存在法國巴黎國際計量局的鉑銥國際千克原器的質(zhì)量，1m的長度等于光在真空中1/299792458秒時間間隔內(nèi)經(jīng)過的距離，1s的時間等于銫133原子基態(tài)度兩個超精細(xì)能級之間躍遷時所輻射的電磁波周期的9192631770倍。
有時候，日常生活和物理學(xué)中有相同名稱的概念，但是含義卻不同。比如生活中所說的速度與物理學(xué)中的速度不同，生活中的速度在物理學(xué)中被定義為速率；生活中和物理學(xué)中的質(zhì)量不同，物理學(xué)中的質(zhì)量在生活中通常叫作重量。只有在嚴(yán)格定義下，我們在用物理概念作解釋說明時，才能便于理解，才不會造成歧義。如果大家交流時使用的不是同一個概念系統(tǒng)，很多事情就難以解釋清楚，還會造成誤解。比如中醫(yī)講究氣象、脈象、經(jīng)絡(luò)和穴位，以陰陽五行為理論基礎(chǔ)，講究藥物間的相生相克，顯然和西醫(yī)的生化科學(xué)不是同一個概念系統(tǒng)，中西醫(yī)的相互理解就很困難。可以想象，某日你見到了外星人，雖然大家都學(xué)習(xí)物理學(xué)，可由于彼此的物理概念不同，或?qū)Ω拍畹亩x不同，你會發(fā)現(xiàn)外星人的物理學(xué)簡直就是奇葩一朵。同一理論體系下的物理概念相互印證，是自洽的、不矛盾的。一些偽科學(xué)用一些科學(xué)概念和一些玄虛的概念混搭，披著科學(xué)的外衣揣著不可告人的目的，其概念和理論往往自相矛盾漏洞百出，經(jīng)不起推敲。
可見，物理概念是物理學(xué)家們發(fā)明的一套用于思維和交流專業(yè)語言。愛因斯坦說，“科學(xué)必須創(chuàng)造自己的語言和自己的概念，供它本身使用?？茖W(xué)概念最初總是日常生活中所用的普遍概念，但它們經(jīng)過發(fā)展就完全不同。它們已經(jīng)變換過了，并失去了普遍語言中所帶有的含糊性質(zhì)，從而獲得了嚴(yán)格的定義，這樣他們就能應(yīng)用于科學(xué)的思維?！?/span>
物理概念是如何建立的呢？我們以建立力的概念來看看概念建立的前前后后。
很早以前人們就觀察到，一個靜止的物體，要改變它的位置，必須使它受力，要有人去推它或有馬去拉它。人們就會認(rèn)為運動與推、拉、提、壓這些動作相連。多次的經(jīng)驗讓人們深信，要使一個物體運動得越快，就需要更大的力推它。所以，速率是和作用力的大小有關(guān)的。這個直覺的結(jié)果經(jīng)過亞里士多德的總結(jié)建立了力的最初概念，形成了對力和運動之間關(guān)系的認(rèn)識：力是物體產(chǎn)生運動的原因，一個物體不再受到推力時，原來的運動要歸于靜止。但是伽利略的發(fā)現(xiàn)告訴我們，根據(jù)直接觀察得出的直覺結(jié)論常常可能是不可靠的。
假如你推著一輛小車沿平直路面運動，然后突然撤去外力不去推它，小車不會立即停止運動，它還會繼續(xù)運動一小段距離。怎樣才能增加這一小段距離呢？我們有不少辦法，比如增大小車受力時運動的速度，在車軸上涂潤滑劑讓車輪轉(zhuǎn)得更容易，把路修的更平整些等等。你會發(fā)現(xiàn)在車軸上涂潤滑劑和把路修的更平整些的作用是減小摩擦，設(shè)想一下，如果路面是光滑的，輪軸間也是光滑的，那么就沒有力阻礙小車的運動，小車就會一直運動下去。不論小車的速度大還是小，只要沒有阻力，運動就會永遠(yuǎn)持續(xù)，最終都會走過相等的距離。所以一個物體不受力，會沿著直線保持同樣的速度均勻地運動下去，速度本身并不表示是否有力作用在物體上。在伽利略看來，力是物體運動變化的原因，運動不需要力來維持，之后牛頓把它總結(jié)為慣性定律。現(xiàn)在我們知道，亞里士多德關(guān)于力的定義是不正確的，伽利略對力的定義更加接近它的本質(zhì)屬性。
亞里士多德為什么認(rèn)為力是運動的原因呢？這要從他的哲學(xué)觀點說起。亞里士多德認(rèn)為，世界是由各種本身的形式與質(zhì)料和諧一致的事物所組成的，所以回答自然現(xiàn)象的為什么，要符合“和諧”的要求。比如恒星為什么作圓周運動？因為圓周運動是最勻稱、飽滿、穩(wěn)定的，即最和諧。亞里士多德用和諧思維來解釋運動，他認(rèn)為自然界有兩類運動，一類是“天然運動”，認(rèn)為每個物體都有自己的“天然處所”，物體有“尋求自己天然處所”的本性。天然運動的推動者是物體的本性，由于地心是宇宙的中心，重物有去向地心的“本能”，所以總是要下落，而且物體越重下落越快。當(dāng)物體處于“天然處所”時，運動便歸于終止。另一類是非自然的“受迫運動”，比如向上拋一個物體，必須在別的物體的強迫作用下才能發(fā)生，也就是說必須受力才能運動。出于這種和諧自然的運動觀，亞里士多德一開始就將力定義為物體運動的原因。雖然亞里士多德的觀點存在一些漏洞，可在伽利略之前竟然沒有人利用實驗去驗證，以至于把需要證明的東西當(dāng)作了正確的原理。然而伽利略不同，在他的《兩大世界體系的對話》一書中，論證都建立在實驗的基礎(chǔ)上，還要依據(jù)數(shù)學(xué)和邏輯的分析。在大量的實驗事實面前，伽利略認(rèn)為，力就是物體加速或減速的原因。在水平面上推動一個球體，伽利略說，“我看不出有什么加速或減速的原因，因為平面既沒有向上的斜度也沒有向下的斜度。……只要平面不上升也不下降，平面多長球體就運動多遠(yuǎn)。如果這樣一個平面是無限的，那么在這個平面上的運動同樣是無限的了，也就是說，永恒的了。”
可以看出，提出物理概念是出于分析和解釋物理現(xiàn)象的需要，而概念的定義受制于定義者對物理世界的基本看法和觀察物理世界的基本方法，受制于研究者的實踐經(jīng)驗和社會生產(chǎn)力水平。物理世界的真相只有一個，互不相容的定義不會都正確。伽利略正確地建立力的概念來自于他創(chuàng)造的實驗研究方法。即便亞里士多德所建立的力的概念不正確，但是“最初和最基本的步驟總是帶有革命性的。”“從亞里士多德的思想方法轉(zhuǎn)變到伽利略的思想方法，已經(jīng)成為奠定科學(xué)基礎(chǔ)的最重要的一塊奠基石。”天才的人們用思維創(chuàng)造著一個一直在變化的宇宙圖景，“科學(xué)的想象力發(fā)現(xiàn)舊的概念太狹窄了，于是用新的概念去代替它”，推動著物理概念的發(fā)展，這樣的事例比比皆是。在人們對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程中，從湯姆生的棗糕模型，到盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，再到玻爾的量子化模型，很好地詮釋來物理概念的發(fā)展歷程。正如愛因斯坦所說，“物理學(xué)的概念是人類智力的自由創(chuàng)造，它不是（雖然表面上看起來很像）單獨地由外在世界所決定的。我們企圖理解實在，多少有些像一個人想知道一個合上了表殼的表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他看到表面和正在走動的針，甚至還可以聽到滴答聲，但是他無法打開表殼。如果他是機智的，他可以畫出一些能解答他所觀察到的一切事物的機構(gòu)圖來，但是他卻永遠(yuǎn)不能完全肯定他的圖就是唯一可以解釋他所觀察到的一切事物的圖形。他永遠(yuǎn)不能把這副圖跟實在的機構(gòu)加以比較，而且他甚至不能想象這種比較的可能性或有何意義。但他完全相信：隨著他的知識的日益增長，他的關(guān)于實在的圖景也會愈來愈簡單，并且它所能解釋的感覺印象的范圍也會愈來愈廣。他也可以相信，知識有一個理想的極限，而人類的智力正在逐步接近這個極限。也就是這樣，他可以把這個理想的極限叫做客觀真理。”
物理學(xué)并不喜歡在一個新領(lǐng)域提出一些與已有概念毫無關(guān)聯(lián)的新概念，反而喜歡將新領(lǐng)域納入到已有的概念中。所以，當(dāng)一個更加正確的物理概念建立起來后，物理學(xué)總是希望能夠在新的領(lǐng)域來推廣它，一方面使物理的概念體系簡潔而普適，另一方面也是檢驗物理概念的內(nèi)涵與外延。在伽利略將力的概念拉入正確的軌道后，科學(xué)家的腦洞大開，想象力排山倒海勢不可擋。經(jīng)過大約200年的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)登峰造極，物理學(xué)家們的眼中只有力的世界，所有的物質(zhì)都在作著機械運動。到十九世紀(jì)中葉，機械觀不僅揭示了熱現(xiàn)象的本質(zhì)是物質(zhì)微粒的無規(guī)則運動，而且還發(fā)現(xiàn)了能量守恒的規(guī)律。以至于德國著名物理學(xué)家亥姆霍茲感慨道：“一旦把一切自然現(xiàn)象都化成簡單的力，而且證明出自然現(xiàn)象只能這樣來加以簡化，那么科學(xué)的任務(wù)便算終結(jié)了?！?/span>
但若果真如此，人們確立起永遠(yuǎn)正確的宇宙圖景，不再有令物理學(xué)家興奮的事了，這世界將會變得多么的無趣！但是這世界就是一位幽默大師，就在你認(rèn)為大功告成一切盡在掌握的時候，它就給你打開一扇門，推開一扇窗，告訴你還有一個更加精彩的新世界！這時候，你不能冀望一見如故，也不能只是面面相覷，你需要一個新概念，你需要給它下一個新定義！
聯(lián)系客服
